一種電液結合的車載鉆機及控制方式

朱秀梅 韓松峰

（徐州徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州221004）

1 概述

煤層氣、淺層頁巖氣、地熱、深層地下水等上千米的資源開采用鉆井設備應用廣泛，該類設備體積龐大，目前主要有車載與撬裝兩種形式。撬裝形式鉆機鉆架、動力、工作裝置等為獨立結構，需現場安裝，現場搭建及準備工作工作量大，且轉場需多臺板車進行搬運，搬家成本高。車載鉆機采用專用汽車底盤，鉆架、動力及主要工作裝置都在一輛車上，集成度高，車輛開到施工場地，定位后可自行調整到工作狀態，能快速開展施工作業，尤其在救援鉆井施工中，節省了寶貴時間，目前已獲得廣泛應用。

現有車載鉆機一般采用液壓控制，基本所有的操作均由液壓手柄完成，可靠性高，但液壓控制一般為單點控制，操作手柄數量多，操作順序錯誤或誤操作極易對設備及現場人員造成傷害。且多數鉆機的控制手柄全部布置在簡易的露天式操作臺上，機手操作環境惡劣。為提高鉆機操作的安全性及舒適性，本文提出了一種帶操作室且電液結合控制的車載鉆機及控制系統。

2 車載鉆機組成

車載鉆機按照功能模塊包括底盤1、鉆架4、頂驅5、工具卷揚2、卸扣大鉗9、操作室8 及動力與控制系統3，如圖1 所示。其中底盤1 是鉆機運輸的載體，鉆架4 通過旋轉軸固定在底盤后端的支架7 上，可以在油缸6 的作用下旋轉到豎直狀態；頂驅裝置5 在油缸及鋼絲繩的提拉作用下沿鉆架4 上下運動；工具卷揚2及上卸扣裝置9 固定于鉆塔一側，與頂驅4 配合使用完成換桿操作；封閉操作室8 固定在底盤1 的后端，鉆架豎起后的所有操作均在所述操作室8 內進行。

圖1 車載鉆機組成示意圖

底盤1 采用的是全地面越野底盤，獨有的油氣懸掛系統，運輸時有良好的緩沖和減震作用，減少運行過程中崎嶇路面造成的沖擊及搖晃，提高車輛的平順性和乘坐舒適性。同時越野底盤的多輪獨立轉向系統，可組合成多種轉向模式，大大減少整車轉彎直徑，提高整車機動性和通過性，適用于狹窄區域的轉場作業。底盤有四個支腿，前后各2 個，工作前伸出并調平支撐整車重量，并承擔工作過程中鉆具帶來的部分載荷。其中后支腿11 采用橫向伸縮結構，使兩支腿橫向跨距由小于車寬增大到遠大于車寬，這就有效提高了整車的穩定性，使鉆機能抵抗更大的風載，及有效應對井內鉆具振動沖擊造成的整車晃動。

操作室8 通過回轉軸承鉸接于底盤后部的支架7 上，運輸時固定于車輛的最后端，工作前，先將操作室8 旋轉一定角度并用銷軸固定，再豎起鉆架4，如圖2 所示，使操作室內的操作手能正對鉆架工作臺區域，達到最佳的操作視線。

圖2 鉆機工作狀態后部示意圖

3 控制方式的實現

相對于現有的全液壓操作鉆機，本鉆機車采用了液壓控制與電氣控制相結合的控制方式，其中主動作，包括頂驅裝置的進給運動、旋轉操作采用液壓控制，其它，包括卸扣大鉗、工具卷揚以及輔助設備采用電氣控制。電液結合控制即保證了主動作的可靠性，又通過電氣控制簡化了操作界面，提高了操作舒適性，同時通過合理布置傳感檢測設備及控制器的控制邏輯，可有效防止誤操作帶來的設備損傷及事故，提高操作的可靠性。具體現方式如下：

圖3 液控系統原理框圖

液壓控制部分主要由液壓泵組、比例換向閥、液壓先導手柄及執行元件組成。工作原理如下：機手操作液壓先導手柄，控制相應的比例換向閥開啟，先導手柄輸出不同的控制壓力控制比例換向閥的開度，進而控制進入液壓油缸及馬達的流量，使頂驅動力頭以不同的轉速及進給速度運動。在頂驅及鉆塔的相應位置還安裝有檢測力、壓力、轉速、位置等的傳感器，經控制器進行數據處理后傳送到顯示器上。

電氣控制部分主要由控制器、顯示器、電磁閥、比例電磁閥、傳感檢測設備、電氣手柄及開關等組成。工作原理如下：電氣手柄及開關產生的模擬量及開關量信號進入控制器，控制器經過數據處理發出相應的控制信號控制對應的比例電磁閥或電磁閥，驅動執行機構完成指定的動作。各執行機構，如卸扣大鉗擺動、起重臂伸縮、擺動等位置安裝有傳感器，檢測其工作狀態，并實時傳送至控制器，可實現對執行機構進行精確的定位。同時通過控制器內部的控制邏輯進行運算，可有效避免各執行機構的運動干涉。控制器將監測到的各部件工作參數實時傳送至顯示器，可使操作手直觀的監測鉆機工作參數，便于下一步的操作。在鉆機的不同位置還裝設有攝像頭，通過分屏顯示在專用的顯示器上，操作手在操作室中即可實現對整車不同位置的監控。

4 結論

在鉆探機械產品中液壓控制的可靠性最高，但隨著對設備施工安全要求的提高、自動化、智能化是產品發展的必然方向。電氣控制采用傳感器、控制器等監控設備，能實時準確地監控設備工作狀況，并能實現精確控制，通過合理的控制邏輯可實現系列動作的聯動，避免誤操作造成的設備及人員損傷，但在可靠性方面依然有提升空間。

本設備采用電液結合的控制方式，既保證了主動作的可靠性，在電路故障的情況下依然可進行鉆具旋轉、上下劃眼運動，避免了井內卡鉆事故，又提高了輔助動作的自動化控制水平，提高了換桿效率，降低了施工風險。隨著電氣設備可靠性能的提升，全電控、智能化、無人化必將成為鉆探設備的發展方向。